MIT開發突破性成像技術：普通顯微鏡也能看到納米級細節

圖｜得益於一種能夠在成像前將組織擴展 20 倍的新技術，MIT 研究人員使用傳統光學顯微鏡生成了突觸（左）和微管（右）的高解像度圖像。在左圖中，突觸前的蛋白質標記為紅色，突觸後的蛋白質標記為藍色，每個藍紅「夾層」代表一個突觸。（來源：MIT News）

傳統的細胞納米結構成像通常依賴昂貴且高性能的超解像度顯微鏡。作為一種替代方案，MIT 的研究人員開發了一種通過擴展組織來實現成像的方法，這使得他們能夠使用普通的光學顯微鏡實現納米級解像度。

在該技術的最新版本中，研究人員可以一步實現組織 20 倍的擴展。這種簡單而廉價的方法將使幾乎所有的生物實驗室都能進行納米級成像。

「這真正普及了成像技術，」MIT 的 Novartis 化學教授，同時也是 MIT 和哈佛大學 Broad 研究所以及 MIT Koch 癌症研究所成員的 Laura Kiessling 表示。「過去，如果你想看到高解像度的細節，就需要非常昂貴的顯微鏡。而現在，這種新技術讓你可以用普通顯微鏡觀察到那些通常看不到的微小結構。它大大降低了成像的成本，因為你無需依賴昂貴的專業設備就能看到納米級的細節。」

通過該技術實現的解像度約為 20 納米，足以讓科學家觀察到細胞內的細胞器和蛋白質簇。

「20 倍的擴展已經達到了生物分子作用的範圍。生命的構成基礎是納米級的東西：生物分子、基因和基因產物。」MIT 的 Y. Eva Tan 神經技術教授 Edward Boyden 說。他同時也是生物工程、媒體藝術與科學、以及大腦與認知科學的教授，侯活曉士醫學研究所的研究員，且是 MIT McGovern 腦研究所和 Koch 癌症研究所的成員。

Boyden 和 Kiessling 是這項新研究的資深作者，該研究今天發表在《Nature Methods》雜誌上。MIT 研究生 Shiwei Wang 和 Tay Won Shin（2023 年獲得博士學位）是該論文的主要作者。

一次性擴展

Boyden 的實驗室在 2015 年首次發明了擴展顯微術。這種技術將組織嵌入到一種吸水性聚合物中，並打破那些通常將組織緊密連接在一起的蛋白質。當加入水後，凝膠會膨脹，並將生物分子彼此分開。

最初版本的技術可以將組織擴展約四倍，獲得約 70 納米解像度的圖像。在 2017 年，Boyden 的實驗室對這一過程進行了改進，通過增加第二次擴展步驟，實現了總體 20 倍的擴展，從而獲得了更高的解像度，但這一過程也更為複雜。

「我們之前開發過幾種 20 倍擴展技術，但都需要多次擴展步驟。」Boyden 說，「如果能夠在一次擴展中實現這一程度的擴展，那將大大簡化操作流程。」

通過 20 倍擴展，研究人員可以使用普通光學顯微鏡將解像度降至約 20 納米，從而能夠觀察到微管、線粒體等細胞結構以及蛋白質簇。

在這項新研究中，研究團隊嘗試通過單步操作實現 20 倍的擴展。為此，他們需要找到一種既高度吸水又具有機械穩定性的凝膠，確保在擴展 20 倍時不會破裂。

他們使用了由 N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）和丙烯酸鈉製成的凝膠。這種凝膠不同於傳統擴展技術中需要添加交聯分子的凝膠，能自行形成交聯，且機械性能更強。此前，這類凝膠曾用於擴展顯微術，但只能擴展約 10 倍。MIT 團隊優化了凝膠配方和聚合過程，使其更加穩固，能夠實現 20 倍擴展。

為了進一步增強凝膠的穩定性和可重覆性，研究人員在凝膠形成之前先去除了聚合物溶液中的氧氣，以防止交聯反應的干擾。這個步驟通過向聚合物溶液中通入氮氣完成，取代了系統中的大部分氧氣。

凝膠形成後，將組織內部的蛋白質鍵斷裂，再加水使其膨脹。擴展完成後，目標蛋白質即可被標記併成像。

「相比其他超解像度技術，這種方法可能需要更多的樣品製備，但在實際成像過程中，尤其是進行三維成像時，它要簡單得多。」Shin 說，「我們在論文中詳細記錄了操作步驟，方便讀者輕鬆使用。」

成像微小結構

利用這一技術，研究人員成功成像了許多腦細胞內的微小結構，包括被稱為突觸納米柱的結構。這些蛋白質簇以特定方式排列在神經元的突觸處，使神經元能夠通過分泌如多巴胺等神經遞質進行溝通。

在癌細胞的研究中，研究人員還觀察到了微管——這些中空的管狀結構幫助細胞保持形態，並在細胞分裂中起著關鍵作用。他們還成功成像了線粒體（細胞的能量生成器），甚至還看到了單個核孔復合體（控制進入細胞核的蛋白質簇）的組織結構。

Wang 目前正在使用這種技術成像細胞表面的糖類化合物（糖鏈），這些分子幫助細胞與外界環境相互作用。這一方法也可用於成像腫瘤細胞，使科學家們能夠以前所未有的便捷方式觀察這些細胞內部的蛋白質組織結構。

研究團隊希望任何生物實驗室都能以較低成本使用它，由於該技術使用的是標準的現成化學品和常見設備（如共聚焦顯微鏡和手套箱）。

「我們希望通過這項新技術，任何生物學實驗室都能使用現有的顯微鏡，應用這個協議來獲得僅使用非常昂貴且專業的頂尖顯微鏡才能達到的解像度。」Wang 說。

該研究由美國國立衛生研究院、MIT 總統研究生獎學金、美國國家科學基金會研究生獎學金、Open Philanthropy、Good Ventures、侯活曉士醫學研究所、Lisa Yang、Ashar Aziz 和歐洲研究理事會部分資助。

原文鏈接：

https://news.mit.edu/2024/new-method-makes-high-resolution-imaging-more-accessible-1011